高功率激光装置靶场中的小焦斑精确定位技术研究

摘要

高能高功率密度激光是开展惯性约束聚变、武器物理、天体物理、固体物理等相关科学研究的重要条件。为在靶点获得高功率密度激光，一般采用多路(超)短脉冲激光聚焦打靶。多路激光与物理实验靶的精确耦合是关系到物理实验成败的关键。传统的焦斑检测及聚焦定位技术已不能满足高功率密度激光、特别是快点火驱动器对小尺度聚焦光斑（微米级直径的焦斑）的高精密束靶耦合的需求。为解决这一问题，本论文针对小尺度焦斑的精确定位技术开展研究。首先对该技术的两个核心问题开展研究：研究如何实现小尺度焦斑位置的高精度检测以及如何实现小尺度焦斑的精确聚焦；在此基础上，研制了小尺度焦斑精确定位控制系统。
　　受限于CCD像元尺寸限制，基于CCD的焦斑检测技术一般不能够检测微米级直径的小尺度焦斑。为了解决这一问题，本论文提出了一种基于CCD扫描成像技术的高精度焦斑尺寸检测方法。该方法以移动 CCD为特征，由 PZT驱动的精密位移平台移动 CCD，对焦斑进行扫描测量。本论文首先建立了基于CCD扫描成像技术的小尺度焦斑检测方法的理论模型。本模型为第3章和第5章的实验研究提供理论支撑。利用此模型，对小尺度焦斑的质心位置及相对强度分布进行了数值研究。数值模拟了理想高斯光斑、加噪声的高斯光斑、加高斯调制的高斯光斑以及不规则型光斑的质心位置及相对强度分布。理论研究表明，对于10μm左右直径的焦斑，其质心位置测量误差为0.9μm。此结果证明了利用此硬细分方法可以对亚像元尺度的焦斑进行检测。在此基础上，提出并实验研究了基于多像元信息融合的蛇形扫描光斑强度重构法。研究表明，此方法可以最大限度的利用其临近像元获取的信息，可以显著减少扫描步骤，缩短了检测时间。
　　靶点激光的精确聚焦是实现小尺度焦斑位置的精确控制的前提。为实现靶点激光的精确聚焦，本论文提出并研究了离轴抛物面镜精密聚焦控制方法。该方法采用离轴抛物面镜为反射式聚焦元件，以反射式聚焦方案代替透射式聚焦方案，以避免短脉冲激光在透射元件中传输产生的色散及非线性效应问题。为了实现激光的精确聚焦控制，本论文建立了离轴抛物面镜聚焦系统的仿真模型。利用此模型，计算并分析入射光束失准角、发散角等因素对离轴抛物面镜聚焦特性的影响。研究结果表明：入射光束失准角对离轴抛物面镜的聚焦特性影响显著，而入射光束的发散角对聚焦特性影响较小。
　　在上述研究的基础上，本论文将小尺度焦斑位置的精确检测技术与小尺度焦斑的精确聚焦技术相结合，研制了由离轴抛物面镜、双联动反射镜构成的聚焦控制系统，用以在实验上研究并验证小尺度焦斑位置的精确控制技术。结果表明，该系统的焦斑位置控制精度优于1μm。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 高功率激光装置的发展概况

1.3 焦斑检测定位技术的研究进展

1.4 本文的主要研究内容

第2章 小尺度焦斑高精度检测技术理论研究

2.1 引言

2.2 CCD与激光光斑模型

2.3 小尺度焦斑精确检测技术理论模型

2.4 小尺度焦斑精确检测技术数值研究

2.5 本章小结

第3章 小尺度焦斑高精度检测技术实验研究

3.1 引言

3.2 小尺度焦斑检测实验

3.3 基于CCD扫描切割法焦斑质心位置测量实验

3.4 CCD二维蛇形扫描光斑强度重构法焦斑测量实验

3.5 小尺度焦斑检测细分模型优化研究

3.6 本章小结

第4章 离轴抛物面镜聚焦控制研究

4.1 引言

4.2 离轴抛物面镜聚焦模型的建立

4.3 离轴抛物面镜聚焦特性影响分析

4.4 本章小结

第5章 小尺度焦斑精确定位集成系统研制

5.1 引言

5.2 小尺度焦斑精确定位系统设计

5.3 小尺度焦斑精确定位系统实验

5.4 本章小结

结论

参考文献

附录一 主要器件明细

附录二 附表

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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